专利名称：指纹传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及指纹传感器。
本发明提供一种和指纹传感器一道使用的鉴别方法，该指纹传感器包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列，每个传感单元都由定位在传感器上的手指的指纹图案的表皮凸脊对相应的单元的接触或不接触来驱动，每个被驱动的传感单元都贡献出一个代表已被驱动的传感单元的相对位置的传感器输出信号；该鉴别方法包括如下步骤处理传感器输出信号的产生代表被检测的指纹图案的区别特征的相对位置的被处理信号；比较该被处理的信号与存贮在存储器装置中的一组可允许的信号；以及当被处理的信号与一个可允许的信号符合时产生一个核准信号。
本发明还提供一种传感器，该传感器包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列，和在可逐个驱动的单元的上方确定一个封闭空间的可弹性变形的膜，其中整个封闭空间充满预先选定体积的基本上不可压缩的液体、并且通过膜的形变来驱动可逐个驱动的单元以产生区分已被驱动的那些单元和未被驱动的那些单元的输出信号。
本发明还提供一种指纹传感器，它包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列，其中的每个传感单元都包括一个振动传感元件，它响应于指纹表皮凸脊对该单元的接触或不接触；以及驱动装置，用于振动该传感元件；该传感器进一步还包括检测装置，它响应于每个传感元件的振动的大小，产生区别表皮凸脊接触的那些单元与未曾接触的那些单元的输出信号。
下面，借助实例并参照附图描述本发明的实施例，其中
图1表示按本发明的信用卡或银行卡鉴别系统；图2a和2b分别表示另一种按本发明的信用卡或银行鉴别系统的侧视图和顶视图；图3是图1或2的卡的上表面的视图；图4是除去了卡表面的一部分的视图；图5是卡的部分剖面图，表示支撑在卡上的电子学元件，其中卡未弯折；图6类似于图5，其中的卡被弯折；图7是装在图3的卡上的传感器的平面图；图8是另一种传感器结构的平面图；图9是图8的传感器的透视图；图10a和10b是沿图7的线V11—V11的部分剖面图，分别表示膜未变形和已经变形的情况；图11a—g是由多个不同的层形成的另一种传感单元结构的某些层的平面图；图12a—12f是图11a—11g的传感器的某些层的三维视图；图13a和13b是图11和12的传感单元的操作示意图；图14是具有振动传感元件的传感单元的上层的另一种结构的剖面图15是图14的细节的放大视图；图16a和16b是图14的传感单元的操作示意图；图17是另一种传感器结构的剖面图；图18a—18c表示另一种不同的传感元件，用于具有振动传感元件的传感器；图19示意表示振动传感元件的细节；图20示意表示指纹传感器的细节；图21表示图1的受卡器上的窗口；图22表示定位了手指的图21的窗口；图23表示图21和22的热电偶阵列的一部分，该部分被放大；图24是通过一个热电偶的进一步放大了的剖面图；图25是说明在卡和受卡器之间的数据的流动的示意图；图26是说明鉴别方法的流程图；图27是说明区别手指尺寸的方法的一个流程图；图28是说明确定指纹图案中表皮凸脊汗孔的位置的方法的流程图；图29说明确定指端汗孔的位置的一种方法；图30是输入到汗孔位置的和从汗孔位置输出的方法的图解表示；图31是一个流程图，说明确定凸脊细节的位置的一种方法；图32是一个流程图，说明确定凸脊细节的位置的另一种方法；图33说明了确定指纹细节位置的一种方法(指纹细节是那些在指纹图案中表皮凸脊的每一端形成分叉的点)；图34a—34b分别表示由指纹凸脊终止点或分叉处激励的传感器的一部分；图35是输入到细节位置和从细节位置输出的方法的图解表示；图36表示指纹图案的分类特征的一个系统；图37是一个流程图，表示分类被检测的指纹图案的一种方法，以及图38是一个方块图，表示在信用卡或银行卡鉴别系统中的数据流动。
下面参照图1—24借助实施描述确定指纹图案的指纹传感器。
参照图1，在受卡器5的槽4中按可取出的方式插入带有传感器2和电触点3的信用卡1。受卡器5有一个窗口6，通过窗口6可把手指的一部分压在位于受卡器5内的卡的传感器2上。
图2表示鉴别系统的另一种形式。具有磁条的信用卡扫过扫描式阅读器30，并从磁条上读出卡的所有人或合法使用者的细节。受卡器31有一个内装的传感器2和一个微处理器32。该微处理器可以是Neural Instruction Set Processor型的。
塑料载体7的表面上电沉积一个薄的镍层(厚度约为0.05mm)。对镍层进行阳极氧化处理，然后涂以一个均匀的聚酰亚胺薄层。
在不活泼的镍支承层8上安装传感器2和它的相关电路，其中包括传感器输入端(或驱动器)9、传感器输出端(或锁存器)10、卡微处理器11、和电触点3。把传感器电路2、3、9、10、11以及塑料载体7都封闭在塑料卡外包层12中以符合ISO标准。
镍支承层8相对于塑料卡元件7、12而言具有高弹性模量(杨氏模量)，因此卡的弯曲中心轴位于镍支承层8中并且穿过镍支承层8。因此，传感器电路3、9、10、11都要靠近卡弯曲时弯曲应力的中心轴。
下面参照图4和7，传感器2由8个分立的输入门阵列9驱动，传感器2的输出连接到8个分立的输出门阵列10。每个门阵列约为1mm2，并且都连到传感器的一部分上。
门阵列排列在正方形的传感器2的周边的周围，并按4个输入阵列9和4个输出阵列10交替成组布置。
图8表示的是另一种结构，其中传感器2由16个输入门阵列9驱动，它的输出端连到16个输出门阵列10。输入和输出门阵列的数目取决于传感阵列的尺寸、它的传感器单元的密度、以及门阵列的容量。图8的传感器的门阵列9、10按8个输入门阵列和8个输出门阵列交替成组排列。
可使传感器2与标准的针栅式阵列插件(见图9)啮合。传感器2设有管脚33，管脚33形成电触点，以便在传感器和连到插件的电路之间产生能量和数据的流动。
每个门阵列都使用0.13mm2的软焊柱(或焊块)13(见图5)与卡的电路相连。要将焊接点13安排在靠近每个门阵列的中心，以使当弯折卡1时，和硅的门阵列9、10相比具有较低弹性模量的焊柱13能适应这一弯曲并可吸收任何应力。
传感器2包括一个由安装在不变形的支撑上的多个压敏元件(约100μm2)组成的方阵(12.55mm×12.55mm)14。
现在参照图7、10(a)和10(b)，第一种类型的传感器阵列(方阵)的单元的结构由按行和列排列的多个导体的交叉点确定。在EP—A—459808中详细描述了压敏元件方阵14的这种结构。
按一系列适合于流水线生产过程的步骤，在镍层上淀积传感器方阵14和门阵列9、10。首先，在不活泼的镍支承层上的预定位置淀积门阵列9、10。然后，在单独的一次操作中淀积确定传感器方阵的导体的行和列，在淀积时要使导体的行和列与输出门阵列和输入门阵列分别直接连接起来。
在导体行和列上方约20μm处支撑一个MYLAR(商标)薄膜16，在薄膜16的下表面上淀积一个金属触桥的阵列(薄膜16的厚度为5—20μm，最好为5—10mm厚)。
经输入门阵列9向方阵的列提供电流，当膜的触桥与交叉点实现了接触时就在行和列之间产生了电阻性连接。可以像EP—A—459808那样测量列和行中的输入和输出电流，从而可提供代表每个交叉点的状态的信号。将这些信号锁存到移位寄存器内。
在围绕传感器2和门阵列9、10延伸的圆形槽中定位一个圆形的弹性件15(见图7)。
将膜16固定到弹性件15上，使膜16受到剩余张力的作用。膜16和弹性件15确定了一个密闭的空间17，在空间17内填入体积可控的不可压缩的硅酮液18。
当手指压在Mylar膜16上时，体积预先选定的硅酮液迫使膜的形状变成指纹图案的形状。和指纹凸脊符合的膜16的这些部分实现了与传感器方阵接触。膜的触桥在方阵中的对应于指纹凸脊的这些位置连接了方阵的行和列，并且产生了代表该指纹图案的电信号矩阵。
对硅酮液的体积进行选择，以保证当指端在Mylar膜16上压下时，膜16的与表皮凸脊对应的这些部分可使导体行和列发生接触，而膜16的与表皮凹谷对应的这些部分是通过流到表皮凹谷的不可压缩的液体变形的。
因此，应该选择硅酮液的体积，使其等于或小于凹谷的体积。如果硅酮液的体积大于凹谷的体积，则膜的触桥将不能在交叉点实现接触。硅酮液的体积还应该足够大，以保证与凹谷对应的膜16的这些部分可发生足够大的变形，以便和对应于凸脊的膜16的这些部分区别开来。
硅酮液18改善了Mylar膜16的一致性，因此改善了传感器的精度。液体还能平滑凸脊的轮廓和消除微小的凸脊变化。
指纹的凸脊和凹谷的宽度都是400μm左右，手指汗孔的宽度约为100μm。因此，该方阵(由100μm2的单元组成)产生的输出能够分辨指纹凸脊和位于指纹凸脊中的汗孔(见图30和33)。
当膜16变形，并且不再处于它的平衡位置时，弹性件15发生弹性变形(见图10a和10b)。弹性件15的变形使膜的张力加大，因此膜16的作用是可使膜16恢复到它的平衡位置。
弹性件15因此减小了在膜16中发生褶皱的可能性；手指可能陷进这样的褶皱中，产生虚假的或误导的数据。
现参照图11—19，在另外一种类型的传感器结构中，单元34由振动压电传感元件35的方阵确定。传感元件35的振动在其内部产生应力，因而产生一个电场。用表皮凸脊接触振动传感元件35将使振动衰减，因而改变了压电材料内由和振动有关的应力产生的电场。
通过例如电镀或真空淀积，对基本上不变形的绝缘基片36(见图11a)进行掩模和金属涂敷处理，从而形成多个相互平行的、宽度为94μm、间距为6μm的列电极37(见图11b和12a)，其中的基片36可以是塑料、玻璃、硅、或其它合适的绝缘材料。相邻列37的中心之间的间距确定了传感器单元的宽度。通过改变列电极37的宽度和/或间距可以改变单元密度。
在列电极上部淀积由绝缘材料(如聚酰亚胺)构成的第一层38(见图10C和11b)。第一通道穿过第一绝缘层38到每个列电极37。
完成第二金属淀积层(在图10或11中未示出)以提供平行的行电极(在图11或12中未示出)，这些行电极通过第一绝缘层与列电极隔开，并且和第一绝缘层中的第一通道错开。行电极垂直于列电极，行电极之间的间距为100μm。制造行电极的工艺和列电极基本相同，并且在图11或12中没有表示出来。
然后，在行电极上淀积第二绝缘层(未示出)。并且在第二绝缘层中提供第一和第二通道，以便可以穿过该绝缘层分别抵达列电极和行电极。
在第二绝缘层上淀积一个薄膜电阻器40，电阻器40的一端通过第一通道连接到列电极(见图11d和12c)，该薄膜电阻器40由镍铬合金或类似的低温度系数的稳定材料构成。将该薄膜电阻器淀积成曲折形状，以便使其电阻最大同时又使其体积足够小以便能够装在传感器单元内。使相继的多层电阻器由绝缘材料分开，还能进一步增大薄膜电阻器的电阻(见图19)。
在镍铬合金电阻器上淀积第三绝缘层46。提供第一通道39和第二通道(未示出)，以便可以分别通到电阻器(因此可以通到列电极)和行电极。
在第三绝缘层46上随后淀积由压电材料(例如聚氟乙烯—PVDF)组成的两个分开的指状组合型的元件35、48(见图11f和12e)。一个压电元件48(驱动元件)的第一端通过第一通道和电阻器及列电极相连，元件48的第二端接地(见图13a)。第二压电元件35C服务性元件)的第一端通过第二通道与行电极相连，元件35的第二端接地(见图13b)。每个传感器单元的压电元件35、48都与相邻传感器单元的压电元件35、48分隔开。
在指状组合型压电元件35、48上随后淀积一个金属(如，铬)层49。每个传感器单元的第一(即，驱动)和第二(即，传感)元件上的铬层都和相邻的传感器单元的第一和第二元件上的铬层分隔开。按另一种结构，每一行中的驱动元件上的各个金属层可以连接起来，沿这一行形成一个连续的层。
铬层49的作用是PVDF的支撑，可通过导热过滤掉任何红外线，这些热是指端通过传感器的表面加到传感器上的。在传感元件上的这个铬层还可以用作直接连接铬层的另外一种行电极(总线)结构的触点。传感器的每个列电极都连接到一个交变的电压源上，这个交变电压源能够向第一驱动压电元件提供交变电压脉冲51(见图13a)。该交变电压脉冲使驱动压电元件48振动(见图13a)。该交变电压源提供方波脉冲，方波脉冲幅度在TTL电压范围内。列电极基本上是一个向传感器阵列提供输入的总线。驱动元件的振动使第二传感元件35随之振动。传感元件的这种振动在传感元件中产生应力，因此在传感元件中产生电场，从而在行电极52上产生一个电压(见图13b)。传感器的行电极输出的这些电压形成了传感器阵列系统的输出总线，并且通过传感电路53来监测这些电压。
指纹图案的表皮凸脊和传感元件35的接触将使它的振动衰减，使传感元件中由它的压电性质产生的电场发生变化。这样，就在由表皮凸脊的接触驱动的那些传感器单元和不是这样驱动的那些传感器单元之间导致不同的输出信号。
可为输入和/或输出电路配备选择特定的传感器，并决定它的状态的装置。
要监测输出中的这些变化，并且确定被驱动的和未被驱动的传感器单元之间的相对位置。
这个输出可用一个矩阵来表示，矩阵的位置对应于传感器阵列的每个单元，并且矩阵中用“1”(即，高电位)表示已被驱动的单元，并且用“0”(即，低电位)表示未被驱动的单元。
现参照图14，驱动元件54和传感元件55具有另一种不同的结构，即一个元件在另一个元件的上方，而不像指状组合型的元件那样全在同一个水平位置。传感元件55通过绝缘垫60被支撑在驱动元件55的上方，从而确定了一个空隙61。
按照和以上所述类似的方式在一个基片上淀积通过绝缘层(未示出)相互分隔开的列电极和行电极。
在行电极上淀积第二个绝缘层。然后，在此第二绝缘层上淀积第三扫描电极71，而后在扫描电极71本身上淀积第三绝缘层。因为这在本领域中是公知的，所以在图14中没有表示出来，也没有详细描述。扫描电极连接到一个寻址电路16，以便对扫描阵列中的每个单元或单元组进行寻址。
然后以和上述的相似的方式在第三绝缘层上淀积例如由镍铬合金构成的薄膜电阻器62。可用一个绝缘层覆盖这个电阻器层62(未示出)。或者不进行覆盖。
然后，在薄膜电阻器的边缘淀积绝缘垫块60。随后，在该薄膜电阻器上还要淀积一个舍弃材料层，这层的材料可以被溶解掉或者按其它方式从最终的传感器上除掉。后来要进行的舍弃材料层的去除操作将在该叠层结构中产生一个空隙61。然后依次淀积金属层63(如，铬)、PVDF层64、和金属层63，以形成一个叠层的压电驱动元件54。按和以前所述相似的方式，将驱动元件的一端连到列电极，将驱动元件的另一端连接到地(见图16a)。在这里还要提供具有绝缘涂层66的通道65。
然后，按和上述类似的方式，淀积另一个绝缘垫块60和第二舍弃材料层。随后依次淀积金属层63、PVDF层64、和金属层63，以形成叠层的压电传感元件55。传感元件55的一端通过驱动元件中的通道连到薄膜电阻器62，薄膜电阻器62又连到扫描电极71，传感元件55的另一端通过驱动元件的通道67(图14中虚线所示)并且通过薄膜电阻器和绝缘层中的通道连到行电极，和以前所述的方式类似。行电极形成了传感电路53的输入端。之后，从传感器单元上除去舍弃材料层，以产生空隙61，或者说产生两个压电元件54、55之间的以及驱动元件55和薄膜电阻器62之间的空间。
选择驱动压电元件和传感压电元件的尺寸，使其共振频率等于交变电压源的频率。
传感器的列电极68全都连到一个交变电压源，该交变电压源可向驱动元件54提供方波交变电压脉冲51，使驱动元件54以它的共振频率振动。驱动元件的振动使传感元件55随之振动，导致传感元件中的电场变化。
指纹图案的表皮凸脊接触到传感元件将使振动衰减，使传感元件中由压电性质产生的电场发生变化。这将在通过表皮凸脊的接触驱动的那些传感器单元和并非这样驱动的传感器单元之间产生不同的输出信号。
每个传感器单元的状态通过例如从左上向右下扫描该阵列确定的。寻址电路60又向每个扫描元件施加一个寻址信号。寻址信号产生一个代表扫描电路51监测的被扫描的传感器单元的状态的输出。
对整个传感器单元进行扫描，从而产生代表指纹图案的输出信号矩阵。这个矩阵可被认为是具有和该阵列中每个传感器单元的位置相对应的位置的矩阵，其中用“1”(即，高电平)信号代表被驱动的单元，并用“0”(即，低电平)信号代表未被驱动的单元。
对本发明的驱动压电元件以及传感压电元件的尺寸进行选择，使其共振频率等于交变电压源的频率。
压电元件的弹性模量和聚酰亚胺层、络层相比是较小的E(聚酰亚胺)＝4×109帕斯卡(牛顿/米2)E(PVDF)＝2×109帕斯卡E(铬)≤200×109帕斯卡因此，该振动系统的行为就像一个固定在均匀弹性支撑上的金属梁一样，其硬度接近于铬层的硬度；但可更加精确地由下述公式表示出它的弯曲硬度(EI)EI＝(ECRICR＋EPVDFIPVDF)帕斯卡米4并且由下式给出PVDF和铬的组合层的固有频率或共振频率(Fn)Fn=9.55×3.5260EIμ×]]>l1赫兹其中μ＝元件的质量/元件的单位长度
l＝电极的有效长度。
PVDF层的厚度为5μm、铬层的厚度为2μm、有效长度为80μm的传感元件的固有频率或共振频率为707千赫兹。
本申请人认识到，向振动元件施加外部阻尼(即，响应于表皮凸脊的接触)的效果对于较高的频率来说大大地减小了。因此，若使输出的变化和对表皮凸脊接触的响应的效果最佳，必须使振动元件在尽可能低的频率共振。
当对元件的厚度存在限制时，控制要素就是有效电极长度。通过采用具有曲折结构的压电层(一层或多层)17c(见图17a—17c)可增加该有效长度。
图17、18a和19表示出传感器的另一种结构。现参照图17、18a和18c，其中不存在分开的驱动元件和传感元件。具有金属层71(如，PVDF)的单个压电元件70的第一端穿过一个薄膜电阻器连到列电极(即，输入总线)，元件70的第二端连接到地，并且在其长度方向有一点连接到行电极(即，输出总线)。图17没有表示出和地的连接。该传感器各个层的结构和以前所述的相同。
向这种元件提供一个交变电压脉冲将使该元件以和上述图11、12和14的传感器的驱动元件相同的方式在其固有频率或共振频率振动。
这种振动将在输出总线上产生输出信号，当振动按和以前描述过的类似方式通过与表皮凸脊的接触衰减时，这个输出信号也将发生变化。
压电元件70有一个曲折的形状结构，因此增加了有效长度，并且因而减小了它的振动的固有频率或共振频率。
图18a—18c的结构可产生有效长度约为600μm的振动元件，这个长度还是足够小的，可包含在100μm2的传感器单元中。图18a—18c的振动元件的固有频率或共振频率约为12.6千赫兹。这种压电元件的曲折结构还可以用于上述具有上、下压电元件(图14)的传感器。
在受卡器(见图21)的受卡器窗口6(见图1)或传感器(见图2)附近有一个热电偶阵列。热电偶阵列包括多个热电偶20，热电偶20排成11条线19。每个热电偶20在手指存在时产生一个电信号。这些电信号可确定压在受卡器窗口6上的手指21的取向和宽度。
热电偶阵列可用作第一个低水平的安全鉴别，并可用来驱动一个显示器，以使用户重新定位位置不正确的手指或者核实手指在受卡器窗口6的正确位置。
在受卡器5的槽以中有一组电触点，它们与插入槽4中的卡的卡触点接触，以便可在受卡器和卡之间交换数据和能量。
加入了本发明的信用卡或银行卡交易核准系统的操作过程如下在接收一个新卡时，用户将该卡插入一个受卡器中，并通过受卡器窗口使选定的指端的选定部分按压传感器(见图1)，或者按压受卡器(见图2)。这样，就在卡微处理器中存入了他的手指形状和指纹的区别特征(参考数据)。这一过程等效于为标准信用卡或银行卡签名或选定PIN(个人识别数码)。
无论何时用户希望完成信用卡交易或银行交易时，用户将他的卡插入受控器，并且要将他的选定手指的选定部分按向传感器。将检测的手指数据(即，被测数据)与存贮的数据进行比较，在两组数据符合时受卡器给出一个核准信号。
现在参照图25—38借助实例描述确定和比较手指的区别特征的方法。
按此方法，分析传感器输出数据以确定在被检测的指纹部分内的凸脊细节和凸脊汗孔的位置和分布、以及在一个或多个预定点的手指宽度。宽度测量形成用户的第一识别参数或区别特征。对该细节分布的凸脊细节和凸脊汗孔的相对位置，以及汗孔的分布都要分别进行存贮，并形成特定指纹图案的区别特征或识别特征(见图26)。这些形成了用户的第二识别参数或区别特征。
可将传感器输出数据表示为一个电信号的输出矩阵，其中要将由指纹图案的表皮凸脊是否接触而驱动的那些传感器单元(导体交叉点或振动传感元件)与并未这样驱动的传感器单元区别开来(例如，用“1”或“高电平”代表已被驱动的单元，用“0”或“低电平”代表未被驱动的单元)。
通过分析热电偶阵列的输出信号找出手指尺寸的特征以确定手指的轮廓(见图27)。使用两个预定位置的宽度值来确定手指的轮廓特征。即，在指端下方5mm处和指端下方17.8mm处的宽度。
通过分析传感器输出数据来确定表皮凸脊汗孔的位置，以确定传感器方阵中的那些未被驱动的部分的位置，这些未被驱动的部分的尺寸与一个凸脊汗孔的尺寸相同，并且这些未被驱动的部分由已被驱动的部分所包围(见图28、29和30)。
移动输出矩阵，使其在平行于输出矩阵的行的方向减去一个传感器单元位置和减去两个传感器单元的位置(一个单元位置是相邻传感器单元之间的距离，即100μm，并且约等于一个表皮汗孔的尺寸)，从而分别得到第一和第二移位矩阵；并且移动输出矩阵，使其在平行于输出矩阵的列的方向减去一个传感器单元位置和两个传感器单元位置，从而分别得到第三和第四移位矩阵。
将第一移位矩阵和输出矩阵输入到第一异操作门以产生第一异操作门输出矩阵(异操作是一种只存储两组数据间的差的操作)。将第一移位矩阵和第二移位矩阵输入到第二异操作门以产生第二异操作门输出信号。
将第三移位矩阵以及输出矩阵和第四移位矩阵分别输入到第三和第四异操作门，分别产生第三和第四异操作门输出矩阵。
将4个异操作门输出矩阵分组成两对，分别将每一对输入到第一和第二与操作门(与操作是只存储两组数据间的相等者的操作)。
将两个最终的与操作门输出矩阵输入到第三与操作门。最终的第三与操作门输出矩阵对应于被检测的指纹图案的凸脊汗孔分布。可将其描述为汗孔位置矩阵。
上述的移位和异操作过程等效于沿着由传感器矩阵的行和列确定的两个垂直方向将传感器输出矩阵移动加上一个传感器单元位置和减去一个传感器单元位置、然后将每一个移位矩阵连同传感器输出矩阵一起输入到一个单独的异操作门中。因此，通过移动传感器输出矩阵使其沿两个垂直方向加上一个单元位置和减去一个单元位置也可以确定汗孔分布。
通过分析传感器输出数据来确定凸脊细节的位置和分布，以确定被检测的指纹图案中凸脊(即，已被驱动的传感器单元的行)或凹谷(即，未被驱动的传感器单元的行)不相连续的那些点。
通过考虑包含在传感器方阵的分析部分中的传感器单元的状态可以确定在特定位置是否存在凸脊细节(见图31—35)。在GB—A—2243235中描述了确定凸脊细节的位置的另一种方法。
在确定了凸脊汗孔位置后，把汗孔矩阵加到传感器输出矩阵上。这等效于填加在传感器输出矩阵中，因此消除了错把汗孔当作凸脊可能引起的任何误差。
图31和32表明了确定传感器单元的分析部分是否包含凸脊细节的两种可能的方法。
图34a和34b分别表示在传感器方阵的分析部分33中的凸脊的终止点和凹谷的终止点。分析部分33由6行和6列确定(即，36个单元)。在方阵部分33中的单元位置由笛卡儿坐标x和y确定，坐标原点由方阵部分33的左下角确定。
现参照图32，分析来自所考虑的6行的输出数据流，以确定在位置(3、3)、(3、4)、(4、3)和(4、4)的中央部分31处的单元是否全被驱动或者没有全被驱动。
还要分析该输出数据流，以确定在36个单元的方阵部分33中已被驱动的单元的总数。
如果在中央部分31中的所有4个单元全被驱动，并且在6×6个单元区33中被驱动的单元的总数为15，则中央部分31对应于一个凸脊终止点(见图34a)。
另外，如果在中央部分31中的所有4个单元全都未被驱动，并且在部分33中的已被驱动的单元的总数为21，则中央部分31对应于凹谷的终止点(见图34b)。
对包含在该传感器方阵中的所有的6×6方阵部分重复进行这种分析，并且确定在被检测的指纹图案中的凸脊细节的分布。这种分布可表示成为一个细节矩阵，其形式类似于汗孔矩阵。汗孔矩阵和细节矩阵的大小都和传感器输出矩阵的大小类似。
这可通过分析传感器输出矩阵来实现(见图32)，从而可确定该方阵的所有的这些第一部分(或象素区)，这些第一部分都包括22个传感器单元位置，它们或者全被驱动(“1”)，或者全未被驱动(“0”)。然后分析包围这样一些第一部分(或象素区)的并且包含在有62个传感器单元位置的第二方阵中的，并且以第一部分为中心的第二方阵部分，以确定其中已被驱动的单元(“1”)的数目。
现在参照图31的另一种方法，首先分析传感器输出矩阵，以确定有22个传感器单元(或者全被驱动(“1”)，或者全未被驱动(“0”)的方阵的那些第一部分。然后，分析包围每个第一部分的方阵区域，以确定是否存在一个或者全被驱动(“1”)，或者全未被驱动(“0”)的单元矩形区，该矩形区与第一部分的一侧是连在一起的。
有四个已被驱动的(“1”)单元，且一个侧面与32个已被驱动的(“1”)单元的矩形区连在一起，其余的侧面由未被驱动的(“0”)单元包围的第一部分表示一个凸脊的终止。
有4个未被驱动的(“0”)单元，且一个侧面与32个未被驱动的(“0”)单元连在一起，其它的侧面由已被驱动的(“1”)单元包围的第一部分表示一个凸脊的分叉(即，凹谷终止)。
然后分析汗孔矩阵和细节矩阵，以产生指纹图案的数据流特征。
在指端上存在大量的凸脊汗孔和凸脊细节。使用整个汗孔分布和凸脊细节分布来产生特定个体的数据流特征并非总是必要的。例如，银行总行现在认为，5个区别特征的相对位置就足以精确识别一个个体。只考虑汗孔矩阵和细节矩阵的一个选定部分或窗口，可减小分布的大小。例如可参照指端的轮廓来确定这个选定部分的位置，以保证该系统总是比较指纹图案的这个相同部分。
当要读出一页内容(从左上到右下)时，可从上到下并且从左到右逐行扫描汗孔矩阵。当确定了一个汗孔的位置时，按相同的方式扫描细节矩阵，并且将该汗孔和任何要定位的细节之间的距离作为第一数字序列存储起来，存储的顺序和相应的细节定位在该细节矩阵上的顺序相同。对于汗孔矩阵中的每个汗孔重复这一过程，并且把对应于每个汗孔位置的数字序列作为第二个数字序列存储起来，存储的顺序和相应的汗孔定位在汗孔矩阵中的顺序相同。第二数字序列是第一数字序列之和。使用该第二数字序列来确定指纹图案的特征。
指纹特征共有7类，一个指纹特征可分入其中之一(例如按清晰的拱、辐射形的环、清晴的涡)，这是按E.R.Henry开发的指纹分类系统进行的分类(见ByTE，1993年10月，“PCs Catch CriminalsUsing Fingerprint Analysis”)。通过分析传感器输出矩阵的在45°对角线上的行和列可以确定指纹图案的类别，从而计算已被驱动的(“1”)单元的数值与未被驱动的(“0”)单元的数值的最大和最小的比值(见图36和37)。这是一种公知的方法，可将指纹类别用作卡1的合法用户的另一个识别参数或区别特征。
现在参照图38，把选定手指的选定部分的指纹图案的区别特征(即，细节分布和汗孔分布)作为特征数字序列存储在卡微处理器11的卡上存储器中。还要把手指宽度和指纹类别存储在该卡上存储器中。当把卡插入受卡器中并且将手指压到传感器方阵上时，首先锁住输出数据流，而后将该数据流传送到受卡器微处理器23，在这里处理该数据流以确定手指宽度、指纹图案、凸脊细节分布和凸脊汗孔分布，从而产生一个特征数字序列(即，识别参数或用户的区别特征)。
卡上存储器把无存储过的识别参数或区别特征传送给受卡器微处理器，在这里将已存储的识别参数与被检测的识别参数(用户特征)进行比较。如果已存储的和被检测的序列符合，则在没有来自远处的中央数据库的相反指示(如，银行客户已透支)的条件下，受卡器微处理器23核准该信用卡或银行交易。序列的符合对应于存储的指纹图案和检测的指纹图案的符合。
通过扫描两个序列并且确定两个序列有多大比例是相同的，来比较检测的特征数序列和存储的特征数序列。为此要在被检测的和已存储的特征序列中寻找相同的序列。如果两个序列中相同的预定部分不止一个，则受卡器的微处理器核准这个交易。
上述的设备和方法可迅速而准确地记录和/或比较指纹图案的区别特征。
按传感器的另一种形式，每个传感器单元都是由一个热电偶构成的。
按受卡器的另一种形式，该热电偶阵列可由压力传感器领域中公知的压电压力传感器阵列代替。
卡微处理器可由一个磁条代替，在磁条中已经写入译成代码的指纹数据。
可以改变卡存储器、受卡器存储器、和远处的中央数据库间的相对容量，还可以改变卡微处理器、受卡器的微处理器、及远处的中央处理器间的相对操作能力。例如，可通过卡微处理器而不是通过受卡器的微处理器来实现上述的输出数据分析。
通过重新确定该方法的参数可针对传感器单元和/或不同大小的分析部分33修改所述的细节确定方法。
大于指纹宽度的传感器不再需要其功能要由传感器阵列的外围传感器单元实现的热电偶阵列。
权利要求
1.一种包括指纹传感器的鉴别系统，该指纹传感器包括逐个可驱动的传感单元的一个阵列，每个传感单元都由定位在该传感器上的手指的指纹图案的凸脊对相应单元的接触或不接触来驱动，每个被驱动的传感单元都贡献出一个代表该被驱动的传感单元的相对位置的传感器输出信号，该鉴别系统进一步还包括一个传感器输出处理装置，该传感器输出处理装置具有接收传感器输出信号并处理传感器输出信号以产生代表该被检测的指纹图案的区别特征的相对位置的一个被处理信号的装置，该鉴别系统进一步还包括存贮该被处理的信号的装置。
2.一种包括指纹传感器的鉴别系统，该指纹传感器包括逐个可驱动的传感单元的一个阵列，每个传感单元都由定位在该传感器上的手指的指纹图案的凸脊对相应单元的接触或不接触来驱动，每个被驱动的传感单元都贡献出一个代表该被驱动的传感单元的相对位置的传感器输出信号，该鉴别系统进一步还包括一个传感器输出处理装置，该传感器输出处理装置具有接收传感器输出信号并处理传感器输出信号以产生代表该被检测的指纹图案的区别特征的相对位置的一个被处理的信号的装置，该鉴别系统进一步还包括比较被处理的信号和一组存贮在系统存贮装置中的可允许信号的比较装置，以及在被处理的信号和可允许的信号符合时产生核准信号的核准装置。
3.如权利要求1或2的系统，其中的传感器单元阵列足够精细以检测位于表皮凸脊中的汗孔，指纹图案的区别特征包括表皮凸脊中的汗孔，该处理装置包括用于确定传感器阵列的那些未被驱动的部分的相对位置的装置，这些未被驱动的部分和表皮汗孔有相同的大小并且被已被驱动的单元所包围。
4.如权利要求3的系统，其中通过比较来自该阵列中每个单元或单元组的信号与来自相邻的每个单元或单元组的信号来确定汗孔的位置。
5.如权利要求4的系统，其中凸脊汗孔宽度基本上等于该阵列的相邻传感单元中心之间的距离的预定整数倍，处理装置包括锁存装置，用于锁存传感器输出信号；传感器输出信号移位装置，其中锁入传感器输出信号，该移位装置在两个垂直的方向上移动传感器输出信号，使其减去传感单元位置的预定整数倍和减去传感单元的预定整数倍的两倍，从而产生4个移位信号，第一和第二移位信号分别是沿第一方向移动的减去了传感单元位置的一个预定整数倍和减去了传感单元位置的预定整数倍的两倍的传感器输出信号，第三和第四移位信号分别是沿垂直于第一方向的第二方向移动的减去了传感单元位置的一个预定整数倍和减去了传感单元位置的预定位置的两倍的传感器输出信号；4个异操作门，第一移位信号同传感器输出信号及第二移位信号一起分别输入第一和第二异操作门以产生第一和第二异操作门输出信号，第三移位信号同传感器输出信号和第四移位信号一道分别输入第三和第四异门操作以产生第三和第四异操作门输出信号；三个与操作门，两个异操作门输出信号输出到第一与操作门，另两个异操作门输出信号输入到第二与操作门，第一和第二与操作门的输入信号输入到第三与操作门以产生代表位于表皮凸脊中的那些表面汗孔的一个处理装置输出信号。
6.如权利要求5的系统，其中相邻传感元件的中心之间的距离基本上等于凸脊汗孔的宽度。
7.如权利要求5的系统，其中的传感元件排列成垂直于传感元件行的多个平行的行和多个平行的列，并且沿平行于传感元件行和传感元件列的方向移动传感器输出信号。
8.如权利要求1—7中任何一个所述的系统，其中的传感器单元阵列足够精细以检测表皮凸脊和表皮凹谷，指纹图案的区别特征包括表皮凸脊细节，处理装置包括监测装置，用于监测传感器阵列的第一部分是否已被驱动，该第一部分的宽度等于或小于表皮凸脊的宽度，该监测装置产生一个代表第一传感器部分内各个可驱动的传感单元的状态的监测装置输出信号；加法装置，用于确定传感器阵列的第二部分中已被驱动的传感单元的总数，第二传感器部分的宽度等于或小于相邻表皮凸脊的中心线分开的距离并且使第一传感器部分在第二传感器部分的中心，该加法装置产生一个表示在第二传感器部分内已被驱动的传感单元的数目的加法装置输出信号；第二存贮装置，用于存贮监测装置输出信号组和加法装置输出信号组，代表定位了手指的传感器阵列的第一部分和第二部分同时产生的监测装置输出信号和加法装置输出信号的每一个组对应于在第一传感器部分定位的一个凸脊细节；第二比较装置，用于比较监测装置输出信号及加法装置输出信号与存贮在第二存贮装置中的信号组，当监测装置输出信号及加法装置输出信号与存贮在该存贮器中的一组信号符合时，第二比较装置产生一个代表在第一传感器部分存在一个凸脊细节的第二存贮装置输出信号。
9.如权利要求8的系统，其中各个相邻的传感单元的中心大致分开100μm，第一传感器部分包括组成了大致200μm宽的正方形的4个传感单元，第二传感器部分包括组成了大致600μm宽的正方形的36个传感器单元，将第一组信号和第二组信号存贮在第二存贮装置中，第一组信号包括代表有4个已被驱动的单元的第一传感器部分的第一信号和代表有15个已被驱动的单元的第二传感器部分的第二信号，第二组信号包括代表没有被驱动的单元的第一传感器部分的第三信号和代表有21个已被驱动的单元的第二传感器部分的第四信号。
10.如权利要求3、8所述的系统，其中的处理装置包括计算装置，用于计算表皮凸脊汗孔和表皮凸脊细节之间的距离。
11.如前述权利要求中的任何一个所述的系统，其中的传感器输出处理装置包括按预定顺序计算从被检测的指纹图案的每个第一组区别特征到被检测的指纹图案的每个第二组区别特征之间的距离以产生被计算的距离的有序序列的装置。
12.如权利要求11的系统，其中第一组区别特征包括表皮凸脊汗孔，第二组区别特征包括表皮凸脊细节。
13.如权利要求11或12的鉴别系统，其中将该有序序列与存贮的有序序列进行比较，当第一有序序列的不止一个预定部分与存贮的有序序列符合时，产生一个核准信号。
14.一种同指纹传感器一道使用的鉴别方法，该指纹传感器包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列，每个传感单元都由定位在传感器上的手指的指纹图案的凸脊对相应单元的接触或不接触来驱动，每个被驱动的传感单元都贡献出一个代表该被驱动的传感单元的相对位置的传感器输出信号，该鉴别方法包括如下步骤处理该传感器输出信号以产生代表被检测的指纹图案的区别特征的相对位置的一个被处理的信号，然后在存贮装置内存贮该被处理的信号。
15.一种同指纹传感器一道使用的鉴别方法，该指纹传感器包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列，每个传感器单元都由定位在传感器上的手指的指纹图案的凸脊对相应单元的接触或不接触来驱动，每个被驱动的传感单元都贡献出一个代表该被驱动的传感单元的相对位置的传感器输出信号，该鉴别方法包括如下步骤处理该传感器输出信号以产生代表被检测的指纹图案的区别特征的相对位置的一个被处理的信号；比较该被处理的信号与存贮在存贮器装置中的一组可允许的信号；以及当被处理的信号与一个可允许的信号符合时产生一个核准信号。
16.如权利要求13或14的方法，其中的区别特征包括位于表皮凸脊中的汗孔。
17.如权利要求15的方法，其中的处理装置确定与表皮汗孔大小相同的并且被已驱动的传感单元包围的那些传感器阵列的未被驱动的部分的相对位置。
18.如权利要求17的方法，其中通过比较来自该阵列的每个单元或单元组的信号与来自每个相邻单元或单元组的信号来确定汗孔的位置。
19.如权利要求15的方法，该方法包括锁存传感器输出信号；在两个垂直方向移动被锁存的传感器输出信号，使其减去一倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数和减去两倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数，从而产生4个移位信号，第一和第二移位信号分别是在第一方向减去一倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数和减去两倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数移动的传感器输出信号，第三和第四移位信号分别是在垂直于第一方向的第二方向上减去一倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数和减去两倍的基本上等于汗孔宽度的传感单元位置数移动的传感器输出信号；将第一移位信号连同传感器输出信号和第二移位信号一道分别输入到第一和第二异操作门以产生第一和第二异操作门输出信号；将第三移位信号连同传感器输出信号和第四移位信号一道分别输入到第三和第四异操作门，以产生第三和第四异操作门输出信号；将两个异操作门输出信号输入到第一与操作门以产生第一与操作门输出信号；将其余两个异操作门输出信号输入到第二与操作门以产生第二与操作门输出信号；并且将第一和第二与操作门输出信号输入到第三与操作门以产生代表位于表皮凸脊中的那些汗孔的一个信号。
20.如权利要求19的方法，其中的一个汗孔的宽度基本上等于相邻传感元件的中心之间的距离。
21.如权利要求13—17中任何一个所述的方法，其中的区别特征包括表皮凸脊细节。
22.一种传感器，包括可逐个驱动的传感单元的一个阵列和在该可逐个驱动的传感单元上方确定一个封闭空间的可弹性变形的膜，其中整个封闭空间充满预先选定体积的基本上不可压缩的液体，可逐个驱动的传感单元由膜的形变驱动，以产生代表已被驱动的那些传感元件的输出信号。
23.如权利要求22的传感器，其中未曾变形的膜为5—20μm厚，最好为5—10μm厚。
24.如权利要求23的传感器，其中的不可压缩的液体是硅酮液。
25.如权利要求22的传感器，其中最好将膜周边固定到可弹性变形的支撑上。
26.一种指纹传感器，包括一个可逐个驱动的传感单元的阵列，其中的每个传感单元都包括一个可振动的传感元件，它响应于指纹表皮凸脊对该单元的接触或不接触；以及一个驱动装置，用于振动该传感元件；该传感器进一步还包括检测装置，它响应每个传感元件振动的大小产生一个用于区分表皮凸脊对这些元件的接触与那些未经这样的接触的输出信号。
27.如权利要求26的指纹传感器，其中的驱动装置包括向传感元件提供驱动信号的装置，并且在提供信号时传感元件振动。
28.如权利要求26的指纹传感器，其中的传感元件是一个梁或一个弹性支撑。
29.如权利要求27的指纹传感器，其中的驱动信号是一个交变电压，传感元件包括压电材料。
30.如权利要求27的指纹传感器，其中的驱动信号是通过靠近传感元件的一个振动驱动元件提供的，该传感元件使驱动元件随之振动。
31.如权利要求30的指纹传感器，其中的驱动元件包括压电材料，并且驱动装置包括向驱动元件施加交变电压的装置。
32.如权利要求30的指纹传感器，其中的传感元件包括压电材料。
33.如权利要求27的指纹传感器，其中的驱动信号是一个振动信号，它的频率大致等于振动传感元件的共振频率。
34.如权利要求29或32的指纹传感器，其中的检测装置包括响应于传感元件中的电场的装置。
35.如权利要求34的指纹传感器，其中的传感元件的第一输入端接到交变电压源，传感元件的第二端接地，检测装置在传感元件的第一和第二端之间的一点上接到传感元件上。
36.如权利要求26的指纹传感器，其中的单元排列成多个行和列，驱动装置使每一列依次产生脉冲，检测装置逐行读出每个单元的输出。
37.如权利要求31、32、34的指纹传感器，其中的驱动元件的第一端连到交变电压源，其第二端接地，并且将传感元件连到一个输出端。
38.如权利要求37的指纹传感器，其中的驱动和传感元件是分立的、指状组合叉形元件。
39.如权利要求37的指纹传感器，其中的驱动和传感元件是分立的元件，传感元件位于驱动元件的上方并与之隔开。
40.如权利要求26—39中任何一个所述的指纹传感器，其中的传感元件包括一个金属层。
41.如权利要求31、32或37中任何一个所述的指纹传感器，其中的驱动元件包括一个金属层。
42.如权利要求22—41中任何一个所述的指纹传感器，其中的传感器是一个指纹传感器并形成塑料卡上的电路的一部分，并且卡的电路进一步还包括多个分立的传感器输入部件，用于向传感器提供能量，并且包括传感器输出部件，用于接收传感器输出信号，还有电触点，用于向卡电路提供能量并和卡电路连通。
43.如权利要求42的传感器，其中每个所说卡电路位于卡的弯曲中心轴附近。
44.如权利要求42的传感器，其中的卡电路支撑在一个支撑片上，支撑片的弹性模量大于塑料载体的弹性模量。
45.如权利要求42的传感器，其中支撑片的弹性模量与塑料载体的弹性模量之比的范围为100∶1到10∶3。
46.如权利要求44的传感器，其中的支撑片是一个涂以聚酰亚胺薄层的阳极氧化镍层。
47.如权利要求42—46中任何一个所述的传感器，其中通过软焊珠支撑每个传感器输入部件或输出部件的中心部分的附近，软焊珠将每一部件都连接到卡电路。
48.一种鉴别系统，包括如权利要求42—48中任何一个所述的传感器，进一步还包括一个受卡器，该受卡器有一个接纳卡的槽，槽内的电触点用于和卡的电触点相连接，传感器进入装置允许手指的一部分定位在进入受卡器槽中的卡的传感器上。
49.如权利要求48的鉴别系统，其中的传感器进入装置有一个在其周围排列的热电偶阵列。
50.如权利要求48的鉴别系统，其中的卡和受卡器这两者、或者它们当中的任何一个进一步还包括数据处理装置。
全文摘要
在指纹鉴别中使用的一种系统，用于确定指纹图案的区别特征并将这些区别特征和可允许的指纹图案进行比较，该系统包括具有传感器(1)的卡(2)，用于产生代表按上的手指的指纹图案数据序列；以及处理装置，用于产生代表指纹图案的表皮凸脊细节和表皮凸脊汗孔的相对位置的被处理的数据。存贮被处理的数据，并将其用于鉴别核实。
文档编号G01L5/00GK1125007SQ94192298
公开日1996年6月19日 申请日期1994年4月27日 优先权日1993年4月27日
发明者威廉·莱斯里·罗斯 申请人:专用生物测量编码有限公司